供稿人:楊帆、高琳 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2020-04-03
目前，人類創(chuàng)造新生命體的能力僅限于在體外改變現(xiàn)有的生物體或生物工程類有機物。近期，美國佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)的研究團隊在這一技術(shù)層面取得了重大突破，研究人員將計算設(shè)計與生物制造相結(jié)合，利用非洲爪蟾的皮膚和心肌細胞，制造了能自主運動、實現(xiàn)物體操縱、物體移動和集體行為的微型機器人。
研究人員在確定一個行為目標(biāo)(如最大化位移)后，運用進化算法創(chuàng)建一個將生物構(gòu)建塊組合在一起以實現(xiàn)所需行為的初始隨機總體。在基于物理的虛擬環(huán)境中模擬每個設(shè)計并自動分配性能分?jǐn)?shù)，通過對收縮細胞隨機相位調(diào)制的魯棒性，對性能設(shè)計進行篩選，性能較差的設(shè)計被刪除，并被性能較好的設(shè)計的隨機修改副本覆蓋。接著，使用發(fā)育中的非洲爪蟾心肌細胞和表皮細胞組成在生物構(gòu)建塊，將其置于培養(yǎng)皿表面，觀察行為，與設(shè)計預(yù)測的行為進行比較。將其在虛擬環(huán)境和體內(nèi)行為之間的差異以限制設(shè)計類型的形式返回到進化算法，在之后的設(shè)計制造周期中進化，重復(fù)此過程可獲得多樣化且具有較高性能的設(shè)計方案。
圖1.設(shè)計制造過程（紅色部分代表可收縮的心肌細胞，青色部分代表表皮細胞。）
這種活體機器人由于使用了生命體的細胞而具有良好的自組織和自我修復(fù)特性。盡管缺乏神經(jīng)系統(tǒng)，但心肌細胞之間的自發(fā)協(xié)調(diào)會產(chǎn)生一致的、相位匹配的收縮，不同的設(shè)計之間可以相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)調(diào)，自發(fā)聚集，這有助于在物理實現(xiàn)的設(shè)計中移動。它不僅能自我維持其外部強加的結(jié)構(gòu)，而且還能在受到損傷時進行自我修復(fù)，而人工材料制造的機器則不具備有這一功能。在機器人模型設(shè)計方面，進化算法的不斷優(yōu)化，可以對構(gòu)建元素進行模塊化添加、刪除或重組，以便為新任務(wù)進行快速設(shè)計和部署。
考慮到這種微型機器人的無毒性和有限的壽命，可以用作一種新型的智能藥物遞送或內(nèi)部手術(shù)工具。若在此基礎(chǔ)上增加表達信號通路和蛋白質(zhì)的酶及機械變形功能，就能尋找和消化有毒物質(zhì)或廢物，或識別機器人無法進入的物理環(huán)境中的分子。在生物醫(yī)學(xué)方面中，可以利用由病人自身細胞制造的生物機器人清除動脈壁上的斑塊，識別癌癥，或在體內(nèi)患病部位進行監(jiān)控。隨著在機器學(xué)習(xí)、軟體模擬和生物打印等技術(shù)方面的進步，未來可應(yīng)用的領(lǐng)域也會更加廣泛。